Mikrowellen

Mikrowellen
Geschichtlicher Überblick und
Anwendungsbereiche
Mikrowellen wurden 1864 von J. C. Maxwell vorhergesagt und 1888
erstmals experimentell durch H. Herz nachgewiesen. Die Idee der
Übertragung von Leistung durch Mikrowellen wurde 1899 von N. Tesla
vorgeschlagen und schon zwei Jahre später durch eine Übertragung eines
Signals über den Atlantik erfolgreich verwirklicht. 1937 entwickelte W. W.
Hansen, ein Begründer der Mikrowellentechnologie, das Klystron zur
Behebung des Problems der Entdeckung ankommender Flugzeuge durch
die Radar-Technologie. Von da an wurden Mikrowellen in vielen Gebieten
der wissenschaftlichen Forschung und des täglichen Lebens genutzt.
Detaillierte Untersuchungen der kosmischen Hintergrundstrahlung
lieferten die benötigten Informationen, um eine Vielzahl ungelöster
Rätsel der Kosmologie anzugehen. So erhielten 1978 A. Penzias und W.
Wilson den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung der kosmischen
Hintergrundstrahlung, welche einen direkten Beweis für die Existenz des
Urknalls darstellt.
Aufgrund der kurzen Wellenlänge können sich Mikrowellen leicht durch
Luft und die obere Atmosphäre fortbewegen. Mittels einer gekrümmten
Scheibe können sie auf eine Antenne fokussiert werden. Deshalb werden
sie heutzutage extensiv im Bereich der Satellitenkommunikation und des
RADAR’s, besonders in aktuellen GPS-Systemen verwendet.
Im Bereich des täglichen Lebens sind die beiden besten Beispiele der
Mikrowellenherd und das Handy. Mikrowellen (mit einer Frequenz von
2.45 GHz) können Leistung direkt auf Wasser-Moleküle im Essen
übertragen, so dass das Essen quasi von innen gekocht wird. Handys
profitieren von der Mikrostreifenleiter -Technologie und arbeiten bei
ungefähr 900 - 1800 MHz. Die hohe abgestrahlte Leistung von 0.6 - 3 W
lassen das Handy allerdings in letzter Zeit zu einem vieldiskutierten
Thema werden.
Einordnung ins Spektrum
Typischerweise werden Wellen mit einer Frequenz von 300 MHz bis 300
GHz als Mikrowellen bezeichnet. Die Wellenlänge liegt folglich im
Bereich zwischen einem Meter und einigen Millimetern.
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Abbildung 1: Wellenlängenspektrum
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Erzeugung von Mikrowellen
Das Reflexklystron
In der Schule lernt man bereits die Erzeugung von elektromagnetischen
Wellen durch einen LC – Schwingkreis kennen, in dem sich die Energie
des elektrischen und die des magnetischen Feldes periodisch ineinander
umwandeln.
Für die Erzeugung von Mikrowellen werden jedoch relativ hohe
Frequenzen benötigt, wodurch der Widerstand der Induktivität zu groß
wird. Deshalb verwenden wir in unseren Versuchen ein sog.
Reflexklystron zur Erzeugung der Mikrowellen.
Aufbau:
Die wichtigsten Bauteile eines Reflexklystrons sind die Kathode, der
Reflektor und der
Resonator:
Abbildung 2 : Aufbau eines Reflexklystrons mit den
Hauptbestandteilen Kathode, Resonator
und Reflektor.
Das Kernstück bildet der Resonator (Hohlraum), der wie ein LCResonanzkreis aufgebaut ist. Zwei parallele Gitter wirken wie ein
einfacher Plattenkondensator, die zylinderförmige Verbindung an den
Seiten wirkt wie eine Spule mit einer Windung. Das zu verstärkende
Signal wird in diesen Resonator eingekoppelt. Analog zu einem LCResonanzkreis oszilliert die Ladung zwischen ”Kondensatorplatten“ und
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”Spulen“, so dass abwechselnd mit einer Phasenverschiebung von T/4 ein
elektrisches und magnetisches Feld entsteht:
Abbildung 3: Der Hohlraumresonator, mit periodisch wechselndem Eund B- Feld.
Eine andere verwendete Möglichkeit Mikrowellen zu erzeugen, ist der
Gunn – Oszillator.
Der Gunn-Oszillator besteht im wesentlichen aus einem GaAs-Kristall, der
in einen Hohlraumresonator eingebaut ist. Die Wirkungsweise des
Mikrowellengenerators beruht auf der negativen differentiellen
Leitfähigkeit des homogenen Halbleiterkristalls. Um diesen Effekt und
seine Auswirkungen verstehen zu können, muss man sich näher mit der
Energieverteilung der Elektronen im Valenz- und Leitungsband des GaAs
befassen.
Am Versuchsnachmittag wird deshalb ein kurzer Blick auf Bändermodell
und Halbleitergrundlagen geworfen.
Leitung von Mikrowellen
Es existieren verschiedene Arten der Mikrowellenleitung, so z. B. die
Leitung in Luft bzw. in Hohlleitern, die Leitung durch Koaxialkabel oder
die Leitung durch Mikrostreifenleiter
Leitung in Hohlleitern
Hohlleiter werden auptsächlich zur Fortleitung von Mikrowellen benutzt,
da bei gewöhnlichen Drähten ein zu großer Strahlungsverlust auftritt und
der Skin-Effekt (Ströme fließen nur an Oberflächen) zu Problemen führt.
Häufig werden Rechteckhohlleiter benutzt, da man aufgrund ihrer
einfachen Symmetrie relativ leicht Berechnungen für Bedingungen der
Wellenlängen und Frequenzen der Mikrowellen im Leiter finden kann.
Die Ausbreitung kann zum Teil mit den Gesetzmäßigkeiten der
Geometrischen Optik beschrieben werden.
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Abb. 4:
Ausbreitung
im
Hohlleiter.
Mikrostreifenleitung
Als
Streifenleitungen
werden
Hochfrequenzleitungen bezeichnet,
die in Form flacher, leitender
Streifen
ausgeführt
sind.
Die
Gegenelektrode zu den Streifen
besteht aus einer oder aus zwei
unendlich ausgedehnten, dünnen
leitenden
Ebenen,
die
durch
dielektrisches Trägermaterial (Substrat) parallel zu den
Streifen gelagert werden. Die planare Leitungstechnik
gestattet die Herstellung fast aller aus der
Hohlleitertechnik
bekannten
Bauelemente.
Die
häufigste Bauform ist, die hier dargestellte:
Themen am Versuchsnachmittag
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Weiterführende Erläuterungen zur Mikrowellentechnologie
Stehende Wellen  Bestimmung der Phasengeschwindigkeit
Verkehrs – Radar (Dopplereffekt)
Untersuchung der Handy - Abstrahlung
[Materialuntersuchung mit Mikrowellenstrahlung]
Literaturangabe:
Anleitung zum Fortgeschrittenen – Praktikum „Mikrowellen“ der
Univeristät des Saarlandes.
Adresse: http://www.uni-saarland.de/fak7/hartmann/lehre/lehre.html
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